Modeling and Simulation of a Class of Piezoelectric Bimorph Cantilever Beams.pdf

1、壓電材料是一種用于電-力轉(zhuǎn)換的材料。當(dāng)壓電材料收到力或其他載荷時(shí)，將在壓電材料表面產(chǎn)生電荷;而在壓電材料表面施加電場(chǎng)時(shí)，壓電材料將發(fā)生變形。并且壓電陶瓷或壓電驅(qū)動(dòng)器因具有高響應(yīng)速度和高精度等重要性能指標(biāo)，所以在眾多工業(yè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。因同時(shí)具有以上特性，已在微機(jī)電系統(tǒng)、航空航天和智能系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。為此，很多學(xué)者設(shè)計(jì)多種類(lèi)型的壓電驅(qū)動(dòng)器，比如壓電單晶驅(qū)動(dòng)器、壓電雙晶驅(qū)動(dòng)器、S型壓電驅(qū)動(dòng)器和熱壓電驅(qū)動(dòng)器，而壓電單晶梁由于其良好的

2、定位能力、制備簡(jiǎn)單和成本低的特點(diǎn)得到廣發(fā)關(guān)注。但壓電單晶驅(qū)動(dòng)器又因其基體層的存在，將阻止壓電雙晶梁的壓電層變形，從而使壓電單晶驅(qū)動(dòng)器輸出行程較小。為克服以上缺點(diǎn)，本文對(duì)一種由兩層壓電層構(gòu)成的壓電雙晶驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行研究。
　　首先，采用壓電材料的d31模式，對(duì)壓電雙晶驅(qū)動(dòng)器的靜力學(xué)彎曲進(jìn)行研究?，F(xiàn)存的壓電梁或壓電驅(qū)動(dòng)器模型較多采用歐拉梁理論進(jìn)行建模，但是當(dāng)建壓電驅(qū)動(dòng)器參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)器的誤差將隨之發(fā)生變化，比如在壓電驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度

3、逐漸增加時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)器的理論計(jì)算值和仿真值的相對(duì)誤差將逐漸增大，并在超過(guò)一定尺寸后，歐拉理論所建立的理論模型將不再準(zhǔn)確。因此現(xiàn)存的歐拉理論在適用范圍上存在局限性。所以本論文采用一種改進(jìn)的MPFM(Modified Pin Force Model)理論建立壓電雙晶梁模型，用以描述壓電雙晶梁在力衡條件和邊界條件約束下的壓電梁性能。同時(shí)討論不同壓電雙晶梁的長(zhǎng)度和厚度對(duì)壓電雙晶驅(qū)動(dòng)器彎曲性能的影響。
　　其次，建立基于歐拉-伯努利理論的壓

4、電梁的動(dòng)力學(xué)模型，并計(jì)算壓電梁固有頻率。然后，分析了壓電雙晶梁多個(gè)尺寸參數(shù)對(duì)其固有頻率特性的影響。并利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，對(duì)壓電雙晶梁模型驗(yàn)證。并進(jìn)一步將壓電雙晶梁輸出撓度計(jì)算結(jié)果與ANSYS仿真結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而驗(yàn)證理論模型的正確性。
　　最后，搭建壓電雙晶梁實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)在壓電雙晶梁兩側(cè)加載ANSYS軟件相同的仿真參數(shù)條件，得到壓電雙晶梁的端部撓度參數(shù)，然后進(jìn)行壓電雙晶梁數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算值、ANSYS仿真值和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)